基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统.pdf

2023.7 矿业装备/130 引言现代采矿产业的发展对测量技术的要求越来越高。基于此，本文为解决现有矿山测绘技术存在的不足，提高矿山数据信息的可靠性，提出基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统。这种扫描技术可以直观地反映地质地形，是提高企业生产效率的有效途径。1 三维激光扫描技术概述1.1 技术原理根据激光测距的基本思想，激光发射机把一束光发射到目标的表面，再通过该传感器把该光的反射转化为电子信号，通过将电子讯号传输到终端程式进行解译，可以获得并纪录被测点的纹理、坐标值及反射率，从而实现对物体的三维数字化建模。简言之，便是实现激光扫描器对被测物体的表面进行无接触的测量，并将数据上传到测绘系统进行数据预处理和提取，最后以特定格式输出数字表面模型。1.2 技术优势三维激光扫描仪具有快速、主动、数字化、无接触、精度高、密度高的特点。与常规的单一测量方法相比较，三维激光技术具有无接触测量、动态检测和高采样速率等优势。具体如下：第一，在无接触的条件下，若以手工方法进行测绘，则因场地条件的复杂性必须要进行实地测绘，大大增加了测量的工作量。在利用三维激光扫描技术的基础上，借助其无接触的优势，利用三维激光扫描技术进行勘测，可以实现不受空间影响进行数据采集1。第二，动态检测方面，三维激光扫描仪可以立即将采集到的空间点信息和物体表面纹理信息，基于连接计算机的通讯方式传送到配套程序软件，进行现场数据采集和内部数据。矿山地质测绘任务，如断面体积测量，可以在短时间内完成，使测绘项目具有动态性和实时性。第三，在采样速率上，采样速率是指每一段时间从一个连续的信号中抽取并转化成一个离散信号，也就是在单位时间内收集到的信号采样数量，样本数越多测绘结果越准确，三维激光扫描仪采样速率在数千个小时至数十万个小时之间，采样速率比常规的传统技术要高得多。2 基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统软件设计2.1 原始点云数据采样设置扫描参数对原始点云数据进行采样，通过后视方向获得坐标位置，发射机发出的激光脉冲依次对扫描区进行扫描。利用该方法对激光脉冲的角度进行解码，并通过该方法计算出该煤矿的三维空间位置。在此基础上，采用三维激光扫描仪将激光传输时间转化为测量值，并以 GPS 为基础，迅速获得布局中心点和扫描区域之间的相对位置，从而完成测量结果的坐标转换。以三维坐标的获取为依据，采用最小二乘方法获取精确的采矿资料，采用最小二乘法拟合各区块的激光数据，获得准确的开采数据。拟合公式（1）如下：（1）式（1）中，为三维坐标函数，Mu为激光扫描点距基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统韦云峰（晋能控股集团晋圣坡底煤业有限公司，山西晋城 048000）摘要：为了解决当前矿山地质测绘技术准确性问题，针对三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统分析进行分析，确保矿山地质测绘结果的精准度。经试验比较结果表明，利用激光三维扫描技术这种方法能极大改善矿山地质测绘结果的准确率，在实践中有一定的实用价值。关键词：三维激光扫描技术；矿山地质测绘；精度评估14/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺离参数，为拟合函数，此次计算不做定向分析。在激光数据拟合后，实现原始点云数据采样，计算方法如公式（2）：（2）式（2）中，P2代表矿山地面点数据，Bi代表矿山原点云的数据处理参数，代表实际地形相对坐标，此计算不执行方向分析。采用最小二乘法对点云进行采集，以建立矿井地质三维建模，并进一步增强三维激光扫瞄技术的可靠性。2.2 建立矿山地质三维模型根据大量三维激光扫描数据的特点，通过建立矿井地质三维建模，可以更加精确的掌握矿井的构造和规模。挖掘数据库主要是基于计算机信息技术构建信息系统，能够实现数据的存储、维护、统计、搜索、管理和分析，对挖掘数据进行有效的管理。利用矿区周围大量的地质资料与环境资料，构造出一个三维的矿井地质模型，并将其转换成 3D 资料，利用电脑、制图技术将所获得的矿井地质资料以电脑显示屏进行展示，矿山数据库包含基本地质图像、卫星图像、相机图像等，员工能够对矿井信息进行即时的筛选与存储。利用此数据库对矿井资料进行管理，可使勘探者对数据进行即时的理解与解析，并能对矿井的地质资料进行辨识2。利用三维建模技术，可以有效地提高工作效率，掌握矿井的资料，实现矿井资料的采集与处理。了解矿山地质发展的优势和进行图像的性质数据回顾，改进资料的可靠性。利用三维建模技术，对矿井的数据进行可视化显示，缩短测量周期，提高三维激光扫描的精度。2.3 实现基于矿山地质测绘的三维激光扫描在对原始点云数据进行采样，建立矿山地质三维模型的基础上，对扫描数据进行实际处理，对勘测数据进行再处理，计算如公式（3）：（3）式（3）中，Gi代表三维坐标，be代表矿山地质点云数据参数，此次计算不做定向分析。3 基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统硬件设计3.1 选取三维激光扫描设备利用三维激光扫描器进行矿井地质测量的主要设备为三维激光扫描器，该设备型号很多。本文所选择的三维激光扫描设备是 ILRIS-3DER，该仪器可视化能力强，扫描距离远，适合于煤矿的地勘工作，扫描距离为10001500m，扫描速度为 3000/s。3.2 设计传感器电路针对矿井测量精度评估工作的特殊性，提出了利用激光三维成像技术进行矿井地质测量精度评估的整体方案。保证设备的硬件能够达到高可靠、高实用水平的矿井地质勘探和测绘准确率评价工作。为了保证传感元件的灵敏度和提高电池的使用寿命，本文采用了基于对数减波技术的超声传感系统。由于采用了高增益的前置放大器，可以有效地消除传输中的反射、衰减，而采用低噪音预放大电路则能有效地消除信号的干扰3。根据其自身的结构和工作机理，在此基础上进行了处理，在两个 INPUT 端上分别加入无极电容耦合器，由一个地电阻器构成一个滤光器，在各供电侧分别用一个补片包装电容器，选择精密电位器控制对传感系统信噪比的影响，并避免与前置放大器电路相连接，允许灵活调整电阻值。4 三维激光扫描技术在矿山地质测绘中的应用流程4.1 地质数据采集在地质资料采集过程中，提前做好野外调查，调查区应按调查区实际条件，设立若干个监测点，并对各监测点进行适当的选取和严格的监控，确保各监测点之间间隔为 50m 以内，各监测点数量调节到 5 个至 30 个，以免因选址不当或数量过少而导致数据的准确收集。同时，激光测量技术是在矿井地质测绘中应用最广泛的一种，常用的方法好包括脉冲测量、激光三角法、相位测量法、脉冲相位测量法等。在测量者完成测试点位及调试仪器后，按顺序调试摄像头、安装三维激光扫描仪、联通电脑、设定测量点的参数，把 3D 激光扫描装置置于比控制范围更高的位置。最终由 3d 激光扫描器进行连续的扫描，根据测量点的分布密度、云层的密度、扫描仪与目标的距离等合理选择扫描时间的长短，时间可设置为 12min，如果扫描仪与测量目标距离较大，可适当延长扫描时间。4.2 数据处理在数据处理部分，相关人员通过软件与接收的物体外形进行对接，进行坐标变换、植被过滤和多点调整、噪声隔离、三角剖分，等高线生成、影像匹配等。在此基础上，将采集到的资料输入到已建立的目标模式中，2023.7 矿业装备/15生成具有一定形式的地面数字化模式，从而实现矿区的地质调查与绘制。在这些设备当中，尽管三维激光扫描仪本身具备 GPS 功能，但只能显示大概的方向和坐标，在坐标转换过程数据采集精度上有一定的限制4。植被过滤技术是采用全波形的数字化技术对激光通过受照射带表面的植物进行控制，获得了地面和地下构造的等高线图，消除地表的影响。针对多站点调整，相关人员可以利用 RiScan、Pro 等软件将现场资料输入到软件中，拼接拟合多张图像，提高图像对比效果，解决边缘绘制问题。噪声分离处理是通过对点云进行降噪，剔除或分割含有的噪点，并将其转化成 DEM 的数值模式。利用该方法，利用该软件编制出的三维立体图形，能较好地反映出测绘区的矿体状况，并能较好地处理现场分布不均匀、扫描密度过大等问题。图像匹配处理是将所收集到的资料输入到同一个座标中，利用该系统获得更多的资料，方便定量分析、目标建模及遥感应用。数据经过加工后，能够编辑矿井地质地图、编辑空间数据、编辑属性数据、编辑空间对象关系、相邻图连线、等高线与地面图连线进行匹配等操作。4.3 测绘成果精度评定针对受测区的仪器设备、人为操作、现场环境等诸多因素，矿井地质测绘结果容易出现测量误差、精度不高等情况，测绘成果有待提高。研究表明，由于三维激光扫瞄技术的普及程度较低，导致一些工程的测量结果不能真实、准确地反映该区的实际地质状况。所以，在使用三维激光扫描仪时，要对测量的精度进行正确的评价，并对测绘结果的误差部分进行发现和处理。首先，要利用点云的特性点拟合与提取技术来评估平面的绝对定位精度；同时，采用一种强有力的迭代法来克服拟合误差。其次，进行点云切片以评估平面的相对位置精度，并在地形图和点云数据上对比分析物体的横向长度和物体之间的距离。根据比对结果，确定计算平面的相对位置精度是否满足工程测绘要求5。最后，对地形图地理精度进行评价，对得到的三维点云数据进行人机交互检测、地形图地理精度等条件是否符合项目标准确认。确定地形图的地理精度并重复不符合精度标准的编辑，例如更改地理符号6-7。5 案例分析本文为了检验利用三维激光扫瞄技术在矿山地质测绘精度评估系统中的应用效果，以某煤矿测绘评估系统为例，该煤矿测绘评估采用了一种新的评估方法，并比较了现有测绘系统与该煤矿测绘采用的测绘精度评估系统，计算具体精度，如公式（4）：X=A-B （4）式（4）中，X为精度，A为单个映射值，B为这一系列数据的平均值。测试结果如表 1 所示。对比 5 次测试结果可知，该系统的测量准确率达到90.67%，与传统的 79.39%相比，所研制的测量精度评估体系在数据准确率上有着显著的优越性，而且所获得的资料质量也更好。数据的精确度是矿井开采与开采的关键，所开发的测量系统具有较高的实时性和可信度。6 结束语三维激光扫描仪与矿山地质测绘精度系统相融合，能够有效的提高矿山地质测绘的准确度、确保测绘的质量和效率，降低手工作业的劳动强度，本文对国内的煤矿地质测绘工作具有一定的借鉴意义。参考文献1 郭志.基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统 J.世界有色金属,2021(19):22-23.2 朱生海,石灵,唐文明.矿山测绘中三维激光扫描技术的应用 J.中国锰业,2017,35(5):200-202.3 秦红艳.三维激光扫描技术检测测绘成果精度的应用 J.测绘工程,2018,27(10):37-41+45.4 尤相骏,詹登峰.一种新型三维激光扫描隧道测量点云坐标定位方法的精度评估 J.测绘通报,2017(4):80-84.5 马黎明.三维激光扫描技术在地质工程精度测量中的应用J.世界有色金属,2021(13):146-147.6 郭思琪.矿山地质测绘中三维激光扫描技术的应用解析J.商情,2022(27):128-130.7 马星艳.三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的综合应用探讨 J.中国房地产业,2020(11):289.表1 实验精度对比表%实验次数本文方法测绘精度传统方法测绘精度190.3276.12289.4580.56393.4785.48487.5673.47592.5581.36